Satelliten messen physikalische Effekte bei der Überlagerung von Magnetfeldern in bis zu 70.000 Kilometer Höhe
Bei einem magnetischen Sturm schwächt sich das Erdmagnetfeld ab. Schnelle geladene Teilchen können tiefer in die Erdatmosphäre eindringen und verursachen Polarlichter. Die Teilchenströme können aber auch die Kommunikation zu Satelliten und in Funknetzen auf der Erde stören. Verursacht werden die magnetischen Stürme von sich überlagernden Magnetfeldern, von Physikern magnetische Rekonnexion genannt. Erstmals gelang es nun einer internationalen Forschergruppe, dieses Phänomen am Rande des Erdmagnetfelds mit Satelliten direkt zu messen. Wie sie in der Zeitschrift „Science“ berichten, stimmten die Daten weitestgehend mit den bisher entwickelten Theorien überein.
„Der Rand des Erdmagnetfelds ist ein exzellentes Labor, da es der einzige Ort ist, wo ein Satellit direkt durch eine Region mit magnetischer Rekonnexion fliegen kann“, sagt Marc Swisdak von der University of Maryland. Er gehört zum internationalen Forscherteam, das die Messungen der MMS-Mission (Magnetospheric Multiscale Mission) verantwortet und auswertet. Bei der Mission umkreisen vier 1360 Kilogramm schwere Satelliten, gestartet zwischen März und September vergangenen Jahres, die Erde auf Bahnen zwischen 2.500 und 70.000 Kilometer Höhe. Sie fliegen in einer pyramidenförmigen Formation und bleiben auf relativ geringen Abständen zwischen 10 und 400 Kilometern zueinander.
Am 16. Oktober 2015 traf das ersehnte Ereignis ein. Die Satelliten durchflogen eine Zone, in der das Erdmagnetfeld auf das solare Magnetfeld mit entgegengesetzer Ausrichtung der Feldlinien traf. Es folgte eine extrem schnelle und fast explosive Reaktion. Große Mengen magnetischer Energie wurden auf Protonen und Elektronen übertragen. Die MMS-Messungen zeigten dank sehr kurzer Messintervalle von nur 30 Millisekunden Dauer, dass Elektronen mit einer Geschwindigkeit von mehreren hundert Kilometern pro Sekunde aus dieser Reaktionszone herausgeschleudert wurden. Durch das Erdmagnetfeld geleitet flogen die Elektronen dann auf mäandernden Bahnen Richtung Erde.
„Diese Daten werden klar von den Theorien gestützt“, sagt Jonathan Eastwood vom Imperial College London, der ebenfalls an der Mission beteiligt war. Doch einige Ergebnisse wichen von den Erwartungen ab und werfen nun neue Fragen zur Dynamik dieses magnetischen Prozesses auf. Diese wollen die Forscher nun mit weiteren Messungen und Anpassungen der Theorien klären. Als Ergebnis könnte ein besseres Verständnis zur Erklärung des Weltraumwetters stehen.
Im Lauf der MMS-Mission wird es dazu bald Gelegenheit geben. Denn laut Missionsplan sollen die Satelliten schon im kommenden Jahr bis auf eine Flugbahn in 150.000 Kilometer Höhe ansteigen. Dann besteht die Chance, die magnetische Rekonnexion zweier Magnetfelder nicht nur auf der sonnenzugewandten Tagseite, sondern auch auf der abgewandten Nachtseite zu untersuchen. Diese Prozesse sollen sogar noch dynamischer verlaufen als die bisher gemessenen.
Die Erkenntnisse könnten für viele Forschungsfelder von Bedeutung sein. Denn magnetische Rekonnexion mit seiner Umwandlung von magnetischer Energie in Bewegungsenergie spielt auch bei den Eruptionen auf der Sonne eine zentrale Rolle. „Eine Rekonnexion tritt aber auch in Tokamaks, den Fusionsreaktoren, auf“, sagt James Burch vom Southwest Research Institute in San Antonio, das die MMS-Mission leitet. Seine Hoffnung: Durch die neuen Erkenntnisse vom Rand des Erdmagnetfelds könnten unerwünschte Schwankungen der Elektronentemperatur in Fusionsreaktoren erklärt und für einen Dauerbetrieb von zukünftigen Fusionsreaktoren vermieden werden.
Bei einem magnetischen Sturm schwächt sich das Erdmagnetfeld ab. Schnelle geladene Teilchen können tiefer in die Erdatmosphäre eindringen und verursachen Polarlichter. Die Teilchenströme können aber auch die Kommunikation zu Satelliten und in Funknetzen auf der Erde stören. Verursacht werden die magnetischen Stürme von sich überlagernden Magnetfeldern, von Physikern magnetische Rekonnexion genannt. Erstmals gelang es nun einer internationalen Forschergruppe, dieses Phänomen am Rande des Erdmagnetfelds mit Satelliten direkt zu messen. Wie sie in der Zeitschrift „Science“ berichten, stimmten die Daten weitestgehend mit den bisher entwickelten Theorien überein.
„Der Rand des Erdmagnetfelds ist ein exzellentes Labor, da es der einzige Ort ist, wo ein Satellit direkt durch eine Region mit magnetischer Rekonnexion fliegen kann“, sagt Marc Swisdak von der University of Maryland. Er gehört zum internationalen Forscherteam, das die Messungen der MMS-Mission (Magnetospheric Multiscale Mission) verantwortet und auswertet. Bei der Mission umkreisen vier 1360 Kilogramm schwere Satelliten, gestartet zwischen März und September vergangenen Jahres, die Erde auf Bahnen zwischen 2.500 und 70.000 Kilometer Höhe. Sie fliegen in einer pyramidenförmigen Formation und bleiben auf relativ geringen Abständen zwischen 10 und 400 Kilometern zueinander.
Am 16. Oktober 2015 traf das ersehnte Ereignis ein. Die Satelliten durchflogen eine Zone, in der das Erdmagnetfeld auf das solare Magnetfeld mit entgegengesetzer Ausrichtung der Feldlinien traf. Es folgte eine extrem schnelle und fast explosive Reaktion. Große Mengen magnetischer Energie wurden auf Protonen und Elektronen übertragen. Die MMS-Messungen zeigten dank sehr kurzer Messintervalle von nur 30 Millisekunden Dauer, dass Elektronen mit einer Geschwindigkeit von mehreren hundert Kilometern pro Sekunde aus dieser Reaktionszone herausgeschleudert wurden. Durch das Erdmagnetfeld geleitet flogen die Elektronen dann auf mäandernden Bahnen Richtung Erde.
„Diese Daten werden klar von den Theorien gestützt“, sagt Jonathan Eastwood vom Imperial College London, der ebenfalls an der Mission beteiligt war. Doch einige Ergebnisse wichen von den Erwartungen ab und werfen nun neue Fragen zur Dynamik dieses magnetischen Prozesses auf. Diese wollen die Forscher nun mit weiteren Messungen und Anpassungen der Theorien klären. Als Ergebnis könnte ein besseres Verständnis zur Erklärung des Weltraumwetters stehen.
Im Lauf der MMS-Mission wird es dazu bald Gelegenheit geben. Denn laut Missionsplan sollen die Satelliten schon im kommenden Jahr bis auf eine Flugbahn in 150.000 Kilometer Höhe ansteigen. Dann besteht die Chance, die magnetische Rekonnexion zweier Magnetfelder nicht nur auf der sonnenzugewandten Tagseite, sondern auch auf der abgewandten Nachtseite zu untersuchen. Diese Prozesse sollen sogar noch dynamischer verlaufen als die bisher gemessenen.
Die Erkenntnisse könnten für viele Forschungsfelder von Bedeutung sein. Denn magnetische Rekonnexion mit seiner Umwandlung von magnetischer Energie in Bewegungsenergie spielt auch bei den Eruptionen auf der Sonne eine zentrale Rolle. „Eine Rekonnexion tritt aber auch in Tokamaks, den Fusionsreaktoren, auf“, sagt James Burch vom Southwest Research Institute in San Antonio, das die MMS-Mission leitet. Seine Hoffnung: Durch die neuen Erkenntnisse vom Rand des Erdmagnetfelds könnten unerwünschte Schwankungen der Elektronentemperatur in Fusionsreaktoren erklärt und für einen Dauerbetrieb von zukünftigen Fusionsreaktoren vermieden werden.
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